Model driven design for embedded systems

Questo lavoro di tesi si focalizza sulla modellazione di sistemi software in grado far interagire piattaforme elettroniche differenti tra loro.

Model-driven Usability: alcuni approcci e un prototipo.

Questa tesi si occupa degli aspetti di usabilità nell'interazione degli utenti con le applicazioni, usando le tecniche di generazione automatica della Model-Driven Architecture. Viene prodotto un generatore di applicazioni model-driven, basato su un modello di progettazione Goal-Oriented, con risultati apprezzabili nel fornire all'utente un'interazione dinamica con l'applicazione prodotta.

Towards model driven software development for Arduino platforms: a DSL and automatic code generation

La tesi ha lo scopo di esplorare la produzione di sistemi software per Embedded Systems mediante l'utilizzo di tecniche relative al mondo del Model Driven Software Development. La fase più importante dello sviluppo sarà la definizione di un Meta-Modello che caratterizza i concetti fondamentali relativi agli embedded systems. Tale modello cercherà di astrarre dalla particolare piattaforma utilizzata ed individuare quali astrazioni caratterizzano il mondo degli embedded systems in generale. Tale meta-modello sarà quindi di tipo platform-independent. Per la generazione automatica di codice è stata adottata una piattaforma di riferimento, cioè Arduino. Arduino è un sistema embedded che si sta sempre più affermando perché coniuga un buon livello di performance ed un prezzo relativamente basso. Tale piattaforma permette lo sviluppo di sistemi special purpose che utilizzano sensori ed attuatori di vario genere, facilmente connessi ai pin messi a disposizione. Il meta-modello definito è un'istanza del meta-metamodello MOF, definito formalmente dall'organizzazione OMG. Questo permette allo sviluppatore di pensare ad un sistema sotto forma di modello, istanza del meta-modello definito. Un meta-modello può essere considerato anche come la sintassi astratta di un linguaggio, quindi può essere definito da un insieme di regole EBNF. La tecnologia utilizzata per la definizione del meta-modello è stata Xtext: un framework che permette la scrittura di regole EBNF e che genera automaticamente il modello Ecore associato al meta-modello definito. Ecore è l'implementazione di EMOF in ambiente Eclipse. Xtext genera inoltre dei plugin che permettono di avere un editor guidato dalla sintassi, definita nel meta-modello. La generazione automatica di codice è stata realizzata usando il linguaggio Xtend2. Tale linguaggio permette di esplorare l'Abstract Syntax Tree generato dalla traduzione del modello in Ecore e di generare tutti i file di codice necessari. Il codice generato fornisce praticamente tutta la schematic part dell'applicazione, mentre lascia all'application designer lo sviluppo della business logic. Dopo la definizione del meta-modello di un sistema embedded, il livello di astrazione è stato spostato più in alto, andando verso la definizione della parte di meta-modello relativa all'interazione di un sistema embedded con altri sistemi. Ci si è quindi spostati verso un ottica di Sistema, inteso come insieme di sistemi concentrati che interagiscono. Tale difinizione viene fatta dal punto di vista del sistema concentrato di cui si sta definendo il modello. Nella tesi viene inoltre introdotto un caso di studio che, anche se abbastanza semplice, fornisce un esempio ed un tutorial allo sviluppo di applicazioni mediante l'uso del meta-modello. Ci permette inoltre di notare come il compito dell'application designer diventi piuttosto semplice ed immediato, sempre se basato su una buona analisi del problema. I risultati ottenuti sono stati di buona qualità ed il meta-modello viene tradotto in codice che funziona correttamente.

Design and implementation of motorbike lean angle observers

This thesis focuses on the investigation and the implementation of different observers for the estimation of the roll angle of a motorbike. The central core of the activity is applying a Model-Based design in order to outline, simulate and implement the filters with the aim of a final comparison of the performances. This approach is crucially underlined among the chapters that articulate this document: first the design and tuning of an Extended Kalman Filter and a Complementary Filter in a pure simulation environment emphasize the most accurate choice for the particular problem. After this, several steps were performed in order to move from the aforementioned simulation environment to a real hardware application. In conclusion, several sensor configurations were tested and compared in order to highlight which sensor suite gives the best performances.

Model-Based validation of Driver Drowsiness Detection System for ADAS

The work described in this Master’s Degree thesis was born after the collaboration with the company Maserati S.p.a, an Italian luxury car maker with its headquarters located in Modena, in the heart of the Italian Motor Valley, where I worked as a stagiaire in the Virtual Engineering team between September 2021 and February 2022. This work proposes the validation using real-world ECUs of a Driver Drowsiness Detection (DDD) system prototype based on different detection methods with the goal to overcome input signal losses and system failures. Detection methods of different categories have been chosen from literature and merged with the goal of utilizing the benefits of each of them, overcoming their limitations and limiting as much as possible their degree of intrusiveness to prevent any kind of driving distraction: an image processing-based technique for human physical signals detection as well as methods based on driver-vehicle interaction are used. A Driver-In-the-Loop simulator is used to gather real data on which a Machine Learning-based algorithm will be trained and validated. These data come from the tests that the company conducts in its daily activities so confidential information about the simulator and the drivers will be omitted. Although the impact of the proposed system is not remarkable and there is still work to do in all its elements, the results indicate the main advantages of the system in terms of robustness against subsystem failures and signal losses.

Celiachia e Design: strumenti a supporto dei pazienti celiaci neo-diagnosticati

La tesi affronta il tema del design applicato all’ambito healthcare, in particolare la ricerca è indirizzata all’approfondimento della malattia celiaca. Attraverso un approccio integrato al design, è stato progettato un servizio volto a sostenere il paziente celiaco neo-diagnosticato nei 30 giorni immediatamente successivi alla diagnosi. Il progetto si compone di una serie di strumenti riprogettati a partire dai servizi promossi dall’Associazione Italiana Celiachia, disegnati a misura di utente, con l’obiettivo di semplificare il contatto con l’Associazione e coinvolgere, informare e sensibilizzare, sia gli attori interni che gli attori esterni al contesto. È stato studiato l’aspetto psicologico e psico-sociale della malattia per una progettazione che tenesse conto dei reali bisogni e delle necessità dei pazienti celiaci, così che l’esperienza di diagnosi risulti meno impattante e sia facilitato il passaggio verso un cambiamento dello stile di vita.

Integrare gli approcci all'innovazione Data Science e Design Thinking: analisi teorica e applicazione al caso della sanità parmense

Nel panorama aziendale odierno, risulta essere di fondamentale importanza la capacità, da parte di un’azienda o di una società di servizi, di orientare in modo programmatico la propria innovazione in modo tale da poter essere competitivi sul mercato. In molti casi, questo e significa investire una cospicua somma di denaro in progetti che andranno a migliorare aspetti essenziali del prodotto o del servizio e che avranno un importante impatto sulla trasformazione digitale dell’azienda. Lo studio che viene proposto riguarda in particolar modo due approcci che sono tipicamente in antitesi tra loro proprio per il fatto che si basano su due tipologie di dati differenti, i Big Data e i Thick Data. I due approcci sono rispettivamente il Data Science e il Design Thinking. Nel corso dei seguenti capitoli, dopo aver definito gli approcci di Design Thinking e Data Science, verrà definito il concetto di blending e la problematica che ruota attorno all’intersezione dei due metodi di innovazione. Per mettere in evidenza i diversi aspetti che riguardano la tematica, verranno riportati anche casi di aziende che hanno integrato i due approcci nei loro processi di innovazione, ottenendo importanti risultati. In particolar modo verrà riportato il lavoro di ricerca svolto dall’autore riguardo l'esame, la classificazione e l'analisi della letteratura esistente all'intersezione dell'innovazione guidata dai dati e dal pensiero progettuale. Infine viene riportato un caso aziendale che è stato condotto presso la realtà ospedaliero-sanitaria di Parma in cui, a fronte di una problematica relativa al rapporto tra clinici dell’ospedale e clinici del territorio, si è progettato un sistema innovativo attraverso l’utilizzo del Design Thinking. Inoltre, si cercherà di sviluppare un’analisi critica di tipo “what-if” al fine di elaborare un possibile scenario di integrazione di metodi o tecniche provenienti anche dal mondo del Data Science e applicarlo al caso studio in oggetto.

Deployment automatico di applicazioni specificate in linguaggio ABS

Da quando è iniziata l'era del Cloud Computing molte cose sono cambiate, ora è possibile ottenere un server in tempo reale e usare strumenti automatizzati per installarvi applicazioni. In questa tesi verrà descritto lo strumento MODDE (Model-Driven Deployment Engine), usato per il deployment automatico, partendo dal linguaggio ABS. ABS è un linguaggio a oggetti che permette di descrivere le classi in una maniera astratta. Ogni componente dichiarato in questo linguaggio ha dei valori e delle dipendenze. Poi si procede alla descrizione del linguaggio di specifica DDLang, col quale vengono espressi tutti i vincoli e le configurazioni finali. In seguito viene spiegata l’architettura di MODDE. Esso usa degli script che integrano i tool Zephyrus e Metis e crea un main ABS dai tre file passati in input, che serve per effettuare l’allocazione delle macchine in un Cloud. Inoltre verranno introdotti i due sotto-strumenti usati da MODDE: Zephyrus e Metis. Il primo si occupa di scegliere quali servizi installare tenendo conto di tutte le loro dipendenze, cercando di ottimizzare il risultato. Il secondo gestisce l’ordine con cui installarli tenendo conto dei loro stati interni e delle dipendenze. Con la collaborazione di questi componenti si ottiene una installazione automatica piuttosto efficace. Infine dopo aver spiegato il funzionamento di MODDE viene spiegato come integrarlo in un servizio web per renderlo disponibile agli utenti. Esso viene installato su un server HTTP Apache all’interno di un container di Docker.

From data to applications in the Internet of Things

Con la crescita in complessità delle infrastrutture IT e la pervasività degli scenari di Internet of Things (IoT) emerge il bisogno di nuovi modelli computazionali basati su entità autonome capaci di portare a termine obiettivi di alto livello interagendo tra loro grazie al supporto di infrastrutture come il Fog Computing, per la vicinanza alle sorgenti dei dati, e del Cloud Computing per offrire servizi analitici complessi di back-end in grado di fornire risultati per milioni di utenti. Questi nuovi scenarii portano a ripensare il modo in cui il software viene progettato e sviluppato in una prospettiva agile. Le attività dei team di sviluppatori (Dev) dovrebbero essere strettamente legate alle attività dei team che supportano il Cloud (Ops) secondo nuove metodologie oggi note come DevOps. Tuttavia, data la mancanza di astrazioni adeguata a livello di linguaggio di programmazione, gli sviluppatori IoT sono spesso indotti a seguire approcci di sviluppo bottom-up che spesso risulta non adeguato ad affrontare la compessità delle applicazione del settore e l'eterogeneità dei compomenti software che le formano. Poichè le applicazioni monolitiche del passato appaiono difficilmente scalabili e gestibili in un ambiente Cloud con molteplici utenti, molti ritengono necessaria l'adozione di un nuovo stile architetturale, in cui un'applicazione dovrebbe essere vista come una composizione di micro-servizi, ciascuno dedicato a uno specifica funzionalità applicativa e ciascuno sotto la responsabilità di un piccolo team di sviluppatori, dall'analisi del problema al deployment e al management. Poichè al momento non si è ancora giunti a una definizione univoca e condivisa dei microservices e di altri concetti che emergono da IoT e dal Cloud, nè tantomento alla definzione di linguaggi sepcializzati per questo settore, la definzione di metamodelli custom associati alla produzione automatica del software di raccordo con le infrastrutture potrebbe aiutare un team di sviluppo ad elevare il livello di astrazione, incapsulando in una software factory aziendale i dettagli implementativi. Grazie a sistemi di produzione del sofware basati sul Model Driven Software Development (MDSD), l'approccio top-down attualmente carente può essere recuperato, permettendo di focalizzare l'attenzione sulla business logic delle applicazioni. Nella tesi viene mostrato un esempio di questo possibile approccio, partendo dall'idea che un'applicazione IoT sia in primo luogo un sistema software distribuito in cui l'interazione tra componenti attivi (modellati come attori) gioca un ruolo fondamentale.

Development and application of a thermo-hydraulic model supporting the design and the deterministic safety analysis in a sodium cooled fast reactor

Il CP-ESFR è un progetto integrato di cooperazione europeo sui reattori a sodio SFR realizzato sotto il programma quadro EURATOM 7, che unisce il contributo di venticinque partner europei. Il CP-ESFR ha l'ambizione di contribuire all'istituzione di una "solida base scientifica e tecnica per il reattore veloce refrigerato a sodio, al fine di accelerare gli sviluppi pratici per la gestione sicura dei rifiuti radioattivi a lunga vita, per migliorare le prestazioni di sicurezza, l'efficienza delle risorse e il costo-efficacia di energia nucleare al fine di garantire un sistema solido e socialmente accettabile di protezione della popolazione e dell'ambiente contro gli effetti delle radiazioni ionizzanti. " La presente tesi di laurea è un contributo allo sviluppo di modelli e metodi, basati sull’uso di codici termo-idraulici di sistema, per l’ analisi di sicurezza di reattori di IV Generazione refrigerati a metallo liquido. L'attività è stata svolta nell'ambito del progetto FP-7 PELGRIMM ed in sinergia con l’Accordo di Programma MSE-ENEA(PAR-2013). Il progetto FP7 PELGRIMM ha come obbiettivo lo sviluppo di combustibili contenenti attinidi minori 1. attraverso lo studio di due diverse forme: pellet (oggetto della presente tesi) e spherepac 2. valutandone l’impatto sul progetto del reattore CP-ESFR. La tesi propone lo sviluppo di un modello termoidraulico di sistema dei circuiti primario e intermedio del reattore con il codice RELAP5-3D© (INL, US). Tale codice, qualificato per il licenziamento dei reattori nucleari ad acqua, è stato utilizzato per valutare come variano i parametri del core del reattore rilevanti per la sicurezza (es. temperatura di camicia e di centro combustibile, temperatura del fluido refrigerante, etc.), quando il combustibile venga impiegato per “bruciare” gli attinidi minori (isotopi radioattivi a lunga vita contenuti nelle scorie nucleari). Questo ha comportato, una fase di training sul codice, sui suoi modelli e sulle sue capacità. Successivamente, lo sviluppo della nodalizzazione dell’impianto CP-ESFR, la sua qualifica, e l’analisi dei risultati ottenuti al variare della configurazione del core, del bruciamento e del tipo di combustibile impiegato (i.e. diverso arricchimento di attinidi minori). Il testo è suddiviso in sei sezioni. La prima fornisce un’introduzione allo sviluppo tecnologico dei reattori veloci, evidenzia l’ambito in cui è stata svolta questa tesi e ne definisce obbiettivi e struttura. Nella seconda sezione, viene descritto l’impianto del CP-ESFR con attenzione alla configurazione del nocciolo e al sistema primario. La terza sezione introduce il codice di sistema termico-idraulico utilizzato per le analisi e il modello sviluppato per riprodurre l’impianto. Nella sezione quattro vengono descritti: i test e le verifiche effettuate per valutare le prestazioni del modello, la qualifica della nodalizzazione, i principali modelli e le correlazioni più rilevanti per la simulazione e le configurazioni del core considerate per l’analisi dei risultati. I risultati ottenuti relativamente ai parametri di sicurezza del nocciolo in condizioni di normale funzionamento e per un transitorio selezionato sono descritti nella quinta sezione. Infine, sono riportate le conclusioni dell’attività.

BIM-FEM model interoperability for the design of a prestressed concrete bridge deck

In questa tesi ho analizzato il passaggio dall'ambiente BIM a quello FEM di un impalcato da ponte a travata precompressa, identificando criteri e applicando una metodologia che hanno consentito lo sviluppo di un modello FEM utilizzabile per l'analisi strutturale. Nella tesi si descrive l'opera e il suo dimensionamento, con l'analisi statica e le verifiche strutturali eseguite sia a mano sia sul modello in ambiente FEM importato dall'ambiente BIM. Oltre a ciò, viene modellata l'opera nella sua interezza ed inserita in un contesto reale. La tesi discute l'interoperabilità tra i due software evidenziando vantaggi (modello geometrico di partenza in ambiente FEM, trasferimento di informazioni inserite in ambiente BIM, riduzione dei tempi di modellazione e inserimento proprietà dei materiali e caratteristiche degli oggetti, inserimento armature di precompressione) e criticità (implementazione manuale di alcuni elementi nel modello geometrico, perdita di alcune informazioni, definizione di alcuni parametri, limitata interoperabilità FEM-BIM) della metodologia applicata.

Feedback control of underactuated cable-driven parallel robots

In this work an Underactuated Cable-Driven Parallel Robot (UACDPR) that operates in the three dimensional Euclidean space is considered. The End-Effector has 6 degrees of freedom and is actuated by 4 cables, therefore from a mechanical point of view the robot is defined underconstrained. However, considering only three controlled pose variables, the degree of redundancy for the control theory can be considered one. The aim of this thesis is to design a feedback controller for a point-to-point motion that satisfies the transient requirements, and is capable of reducing oscillations that derive from the reduced number of constraints. A force control is chosen for the positioning of the End-Effector, and error with respect to the reference is computed through data measure of several sensors (load cells, encoders and inclinometers) such as cable lengths, tension and orientation of the platform. In order to express the relation between pose and cable tension, the inverse model is derived from the kinematic and dynamic model of the parallel robot. The intrinsic non-linear nature of UACDPRs systems introduces an additional level of complexity in the development of the controller, as a result the control law is composed by a partial feedback linearization, and damping injection to reduce orientation instability. The fourth cable allows to satisfy a further tension distribution constraint, ensuring positive tension during all the instants of motion. Then simulations with different initial conditions are presented in order to optimize control parameters, and lastly an experimental validation of the model is carried out, the results are analysed and limits of the presented approach are defined.

Design, preparazione e studio applicativo di nuovi metallopolimeri luminescenti a base di complessi ciclometallati di Ir(III)

The research project of my experimental thesis deals with the design, synthesis and characterization of a new series of luminescent metallapolymers to be exploited for their peculiar photophysical and opto-electronic properties. To this end, our design strategy consisted in the incorporation of brightly luminescent and colour tuneable Ir(III) cyclometalated complexes with general formula [Ir(C^N)2(N^N)]+, where C^N represents various phenyl piridine based cyclometalating ligands and N^N is an aromatic chelating N-heterocyle, into methyl methacrylate (MMA) based copolymers. Whereas the choice of the cyclometalating ligands was driven by the possibility to obtain different emission colours, the design of the N^N ligands was aimed to obtain a molecule capable of providing the chelate coordination to the metal centre and, at the same time, of being susceptible to polymerisation reactions. To fulfil these requirements, a new molecule (abbreviated as L) consisting in an alkylated 2-pyrydyl tetrazole structure equipped with a styryl unit was designed and successfully prepared. The preparation of the target cationic metallapolymers was accomplished by the complexation of the preformed MMA-L copolymers with different amounts of an appropriate Ir(III) dimeric precursor [(Ir(C^N)2Cl)2]. The investigation of the photophysical features of the new hybrid compounds in the solid state at r.t. suggested how these metallapolymers displayed brightly intense phosphorescent emissions, whose colour was found to span from blue to yellow according to the nature of the cyclometalating ligands. In all cases, the emissive performances were superior to those displayed by the corresponding mononuclear “model” complexes. These promising results pave the way for the application of this new class of metallapolymers as Luminescent Solar Concentrators for the photovoltaic technology and/or to solid state lighting.